Класифікація вуглецевих сталей. Вироби зі сталі.

Для одержання сталі використовують шихту, до складу якої входить передільний чавун, сталевий лом, а також шлакоутворюючі й легуючі речовини.

Процес виробництва сталі складається в зменшенні кількості у передільному чавуні домішок (вуглецю, кремнію, марганцю, сірки, фосфору). Зазначені домішки при виплавці сталі вигоряють або переходять у шлак. Вихідними матеріалами для виплавки стали є передільні чавуни, сталевий брухт, феросплави, залізна руда і флюси.

Сучасними способами виробництва стали є конвертерний, мартенівський і електроплавильний (в електропечах).

По конвертерномуспособу сталь одержують у печах-конвертерах. Конвертер - сталевий футерований сосуд грушоподібної форми, що повертається навколо горизонтальної осі на двох цапфах. У нижній частині конвертера маються фурмені отвори для подачі повітря під тиском 0,2-0,25 Мпа. Рідкий передільний чавун заливають з ковша в конвертер, після чого через фурмені отвори пропускають повітря, збагачене киснем. Під впливом повітря в розплавленому чавуні утворюється закис заліза, що реагує з домішками (кремнієм, марганцем, фосфором), утворюючи оксиди, що переходять у шлак або вигоряють, а закис заліза при цьому відновлюється до чистого заліза. Цей процес продовжується всього 15-30 хв, що є великою перевагою даного способу. Ємність сучасних конвертерів досягає 600 т. Цей спосіб виливки сталі високопродуктивний і найбільш економічний.

Конвертерну сталь використовують для виготовлення будівельних профілів, сортової і листової сталі, дроту і та ін.

Мартенівськийспосіб одержання сталі в даний час найбільш розповсюджений. Мартенівська піч являє собою агрегат, робочий простір якого має форму витягнутої в горизонтальному напрямку камери. Нижню частину камери, що має вигляд ванни, називають подом. Його роблять набивним з вогнетривких матеріалів, а стінки і звід печі викладають з вогнетривкої цегли. У верхній частині маються канали, що з'єднують робочу камеру з газовими і повітряними регенераторами. Ємність сучасних мартенівських печей до 1000 т.

Твердий чи розплавлений чавун з добавкою скрапу чи руди плавиться в мартені за рахунок спалювання палива - суміші колошникового газу або генераторного газу з повітрям. Для підвищення теплового ефекту газ і повітря попередньо нагрівають у регенераторах, застосовують кисневе дуття. Домішки - кремній, марганець і фосфор окисляються закисом залізу, що утворюється в розплаві, переходять в оксиди і відаляються у вигляді шлаку, а закис заліза переходе у чисте залізо. Сірку з розплаву видаляють за допомогою вапняку, який вводиться у якості флюсу. Вуглець при високих температурах вигорає. Шлак, що утвориться в процесі виплавки стали, накопичується на поверхні рідкого металу, і його періодично видаляють.

Під час виплавки сталі, що продовжується 4-8 год. у її склад уводять різні добавки одержуючи цим самим легировану сталь. Хімічний склад розплаву контролюють шляхом систематичного відбору проб для аналізу. Після одержання сталі заданого хімічного складу її випускають у ківш, а з нього розливають по чавунним і сталевим формам.

Мартенівська сталь відрізняється від конвертерної більш високою якістю: її широко застосовують для виготовлення будівельних конструкцій (ферм, підкранових балок, мостів, рейок і ін.), а також для високоміцної арматури.

Електроплавка — найбільш сучасний спосіб виробництва спеціальних і високоякісних сталей. Сталь виплавляють у дугових або індукційних електропечах. Найбільш поширені дугові електропечі ємністю 200 т.

У якості сировинної шихти для електроплавки сталі використовують сталевий скрап, залізну руду, рідкі сталі, що надходять з мартенівської печі або конвертера. Крім того, до складу шихти уводять флюси і легуючі добавки. Джерелом тепла є електродуга, що утворюється між вертикально установленими вугільними електродами і розплавленим металом. По суті процесів, що протікають, електроплавка не відрізняється від мартенівського способу виробництва сталі. Але суттєвим недоліком електроплавки є низька продуктивність і висока собівартість сталі.

В останні роки починають застосовувати комбінованіспособи виробництва сталі з використанням послідовної виплавки сталі в кисневих конвертерах, а потім в основних мартенівських печах, де відбувається одержання сталі заданого хімічного складу. Для скорочення витрати електроенергії при виробництві сталі спочатку використовують для нагрівання і розплавлювання мартенівську піч, а потім для остаточного доведення сталі до заданих властивостей — електропіч.

Перспективна технологія одержання губчатого заліза безпосередньо з руд шляхом продувки їх під тиском воднем або сумішшю водню з оксидом вуглецю з наступним виділенням заліза.

Застосування сталевих виробів у будівництві. Найбільш широко в будівництві використовують сталь марки Ст3, що йде на виготовлення металевих конструкцій цивільних і промислових будинків і споруджень, опор лінії електропередач, резервуарів і трубопроводів, а також арматури залізобетону.

Виплавлену сталь розливають на злитки, або переробляють у заготовки методом безперервного розливання. Сталеві злитки піддають обробці тиском з метою одержання різних сталевих виробів. Розрізняють наступні види обробки сталі тиском: прокатка, пресування, волочіння, ковка, штампування.

Сталь є одним з найважливіших конструкційних матеріалів. Високі фізико-технічні характеристики, технологічність і великі обсяги виробництва визначили її широке використання в будівництві.

Залежно від % вмісту вуглецю розрізняють сталі:

- низьковуглецеву(до 0,25%);

- середньовуглецеву (0,25-0,6%);

- високовуглецеву (більше 0,6 %).

З підвищенням вуглецю у сталі істотно зменшується пластичність, підвищується крихкість, у зв’язку з чим у будівництві переважно використовують низьковуглецеві сталі. Для підвищення технічних властивостей чавунів і сталей до них додають легуючі речовини: марганець, хром, нікель, молібден, алюміній, мідь.

Якщо вміст легуючих добавок у сталей складає до 2,5% – це низьколеговані сталі; 2,5-10% – средньолеговані; більше 10% – високолеговані. Введення легуючих добавок підвищує корозійну стійкість, ковкість, пружність сталі.

За призначенням вуглецеві сталі підрозділяються на конструкційнійінструментальні. Конструкційні сталі містять вуглець не більше 0,65%. Їх застосовують для виготовлення арматур залізобетонних конструкцій. У свою чергу, конструкційні сталі, які використовуються в будівництві, підрозділяють на сталі звичайної якості, якісні й спеціальні.

Сталь вуглецева звичайної якості підрозділяється на групи А,Б,В.

При поставці сталей групи А споживачу гарантують механічні властивості без уточнення хімічного складу. Виготовляють марки Ст 0, Ст 1 и т.д. до Ст 6.Чим більше номер сталі, тим більше в ній % вмісту вуглецю.

Сталі групи Б(БСт0,БСт1,БСт3 и т.д.) поставляють із гарантованим хімічним складом. Сталі групи В – з гарантованими хімічним складом і механічними властивостями.

Леговані сталі, на відміну від вуглецевих, містять ще й легуючі добавки, які підвищують якість сталі і надають їй певних властивостей. До легуючих добавок відносять : С - кремній, Х - хром, Г - марганець, Н - нікель, М - молібден, Д - мідь.

Легування сталі кремнієм підвищує її пружні властивості, нікель і хром – жаростійкість і корозійну стійкість, молібден – ряд механічних характеристик і т.д. При маркуванні легованих сталей перші дві цифри показують вміст вуглецю в сотих частках відсотків, наступні букви – умовне позначення легуючих елементів. Якщо кількість легуючого елемента становить 2% і більше, то після букви ставлять ще і цифру, яка вказує цю кількість. Приклад: 25 ХГС2С – це марка стали, яка вказує на вміст вуглецю 0,25%, близько 1% хрому, 2% марганцю й близько 1% кремнію.

Для зміни фізико-механічних характеристик сталі поряд з легуванням використовують також методи термічної обробки: загартування, нормалізацію, відпуск. При загартуванністалі ( нагрівання до 800...1000⁰С і швидке охолодження) підвищується твердість і міцність, але знижується пластичність і ударна в’язкість. Повільне нагрівання сталі до 250...350⁰С , витримка при цій температурі з наступним охолодженням на повітрі (відпуск) знижує внутрішнє напруження, підвищує пластичність сталі, зберігаючи високу міцність. При нормалізації сталі (нагрівання з наступним охолодженням на повітрі) збільшується ударна в’язкість і пластичність. Велика кількість сталі використовується для виготовлення будівельних сталевих конструкцій – крупнорозмірних елементів будинків і споруд. Сталеві конструкції звичайно виконують із прокатних елементів різного профілю.

Сортова сталь(ДСТУ 2254-93,ДСТУ 2255-93,ДСТУ 3436-96,ДСТУ 2252-93) включає профілі масового попиту, швелери, двотаври й профілі спеціального призначення .

Прокатні вироби із сталі різного профілю: а -кутикова рівнобока; б - кутикова нерівнобока;

в - швелер; г - двотавр; д - підкранова рейка; е - кругла; ж - квадратна; з - штабова; и - шпунтова паля; к - листова; л - рифлена; м - хвиляста.

Листову сталь залежно від товщини листів розподіляють на товстолистову (4... 160 мм), тонколистову (0,2...4 мм), універсальну широкополицеву (4...60 мм), рулонну та рифлену.

Тонколистова сталь (ДСТУ 3360-96, ДСТУ Б В.2.7-58-97) має вигляд листів шириною 8500 мм та довжиною до 12 мм. Найширше у будівництві використовують сталеві листи завтовшки до 40 мм. Листи тонколистової сталі мають довжину до 4 м, ширину - 600... 1400 мм. її застосовують при виготовленні гнутих тонкостінних профілів та профільованого настилу. Виготовлення гнутих профілів дає змогу суттєво спростити технологію виробництва деталей та зекономити до 10% металу. Профільний настил використовують для влаштування легкої та зручної при монтуванні покрівлі.

Метаіочерепиця- це багатошаровий виріб, який широко використовується для влаштування покрівель як пластичний архітектурно-виразний матеріал. Виготовляється з гарячеоцинкованої холоднокатаної листової сталі (прокату) товщиною 0,5 мм, покритої після пасивації та грунтування шаром кольорового полімерного покриття, наприклад, поліестром, матполіестром, пуралом, пластизолом. Також можуть бути використані нестандартні покриття, що забезпечують отримання ефекту «блискучості» або кольорів підвищеної насиченості (яскравості). Довжина панелі може бути від 500 до 8000 мм, а крок (або довжина модуля) 275...450 мм. Деякі приклади цих виробів з різним контуром хвилі.

Металочерепиця відрізняється високими експлуатаційними характеристиками, в тому числі високою корозійною стійкістю, довговічністю та здатністю до пластичного деформування.

Основним видом спеціального прокату для будівництва є арматурна сталь (ДСТУ 3760-98) у вигляді стрижнів гладкого та періодичного профілів, дроту та канатів.

Види арматурної сталі:а - гладка стрижнева; б - гарячекатана періодичного профілю, класу Л-П;

в - те ж класу А-Ш; г -холоднокатана з чотирьох сторін; д - те ж з двох сторін; е - кручена.

Розрізняють: стрижневу арматуру - клас А; дріт - клас В; арматурні канати - клас К. Також може зазначатися спосіб виготовлення, особливі властивості або призначення арматури. Термічно оброблену стрижневу арматурну сталь позначають Ат, сталь для конструкцій, які використовують в районах півночі - Ас, термічно оброблену зварювану сталь - індексом «С» (наприклад, Ат IV С), а таку саму сталь з підвищеною стійкістю проти корозійного розтріскування під напруженням -«К.» (наприклад, Ат IV К). Для сталі, зміцненої витягуванням, використовують індекс «в» (А Мів).

Арматурукласу А-І виготовляють круглого перерізу з гладкою поверхнею. Арматура інших класів має періодичний профіль. Арматурна сталь періодичного профілю має вигляд круглих стрижнів з двома поздовжніми ребрами та поперечними виступами, що йдуть по тризахідній гвинтовій лінії. Використовують також арматуру з профілем «ялинка».

Арматурний дріт випускають діаметром 3...8 мм та поділяють за формою поперечного перерізу на дріт гладкого (В) і періодичного профілю (Вр).

Для зведення башт, опор високочастотних ліній електропередач, інших ґратчастих конструкцій широко використовують металеві труби (ДСТУ 3666-97, ДСТУ 3667-97). За способом виготовлення їх поділяють на безшовні гаряче- та холодноформовані й електрозварні з поздовжнім прямим або спіральним швом .

Основні розміри сталевих труб

Поряд з круглими зварними трубами для сталевих конструкцій використовують квадратні та прямокутні гнутозварні труби.

Метал, призначений для зведення будівельних конструкцій, зберігають уштабелях відповідно з його профілем, розміром та маркою. Вкладають його на металеві або дерев'яні підкладки шириною не менше 15 см. Щоб запобігти виникненню електрохімічної корозії металу, дерев'яні підкладки просочують спеціальною сумішшю та фарбують лакофарбовими матеріалами. Ширину штабеля при вкладанні кутикової сталі, швелерів та двотаврових балок беруть 2,0...2,5 м, висота в усіх випадках не повинна перевищувати 1,5 м. Для зберігання труб, круглої та квадратної сталі встановлюють металеві стелажі, які запобігають розриванню штабеля.